JP2022526362A

JP2022526362A - 小電流を増幅する増幅装置

Info

Publication number: JP2022526362A
Application number: JP2021557746A
Authority: JP
Inventors: ロルフ・ノルベルト
Original assignee: Inficon GmbH
Current assignee: Inficon GmbH
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2022-05-24
Also published as: TW202037072A; CN113614548A; KR20210145745A; WO2020200644A1; EP3948306A1; DE102019108192A1; CN113614548B

Abstract

【課題】大電流の増幅への切替えについて改善された、小電流を増幅する増幅装置および方法を提供する。【解決手段】電流を受け取る増幅装置は、１００ｐＡ未満の小電流を計測する第１の電流経路と、前記第１の電流経路に含まれる入力増幅装置５０と、最大電流が前記第１の電流経路で受け取る電流の１０倍以上になる大電流を計測する第２の電流経路と、を備える。入力増幅装置５０は、少なくとも１つの第１の増幅器１、出力部、反転入力部３０、前記出力部を反転入力部３０へ接続する第１のフィードバック経路４１、および第１のフィードバック経路４１に含まれるフィードバック素子２、を含む。第１の増幅器１は、少なくとも１つの保護素子１８，１９，２０，２１を有する。入力増幅装置５０の保護素子１８，１９，２０，２１のうちの少なくとも一つは、前記第２の電流経路の一部である。【選択図】図１

Description

本発明は、小電流を増幅する装置および方法に関する。

分光計、真空測定装置などの多くの計測装置では、正電荷粒子又は負電荷粒子が電極に衝突することによって生じる電流に基づいて計測値が形成される。発生した測定対象イオン電流又は電子電流の強度のダイナミックレンジは、極めて広範になる。このダイナミックレンジは、しばしば、数百アトアンペア（ａＡ）～数マイクロアンペア（μＡ）に亘り、つまり、数ディケード（ｄｅｃ）［Dekaden］に及ぶ。

具体的に述べると、低圧域において、または真空測定装置や漏洩検知器では、小電流が測定対象となる。この目的には、質量分析計がしばしば用いられる。１０フェムトアンペア（ｆＡ）未満の超小電流に対し、大電流も同時に計測可能な増幅器を構成しようとすると、小電流の計測から大電流の計測へのレンジ切替えが必要となるので、回路の困難性が生じる。抵抗を用いた電流増幅器であれば、抵抗値を高くするほど抵抗の電流ノイズが低くなることから、超小電流用として高インピーダンスの抵抗を含める必要がある。しかし、例えば１０ピコアンペア（ｐＡ）を超える電流に対しては、抵抗での電圧降下が過大になるため、高インピーダンスの抵抗を使用することができない。コンデンサを基準素子に使っても、抵抗と同様の困難性が生じる。従来技術の増幅器では、小電流を計測する動作状態から大電流を計測する動作状態への切替えを可能にするのに、半導体スイッチやリレーを使って抵抗や電流経路を切り替える。いずれにせよ、上記の目的には、どれほど小さな電流が流れても当該電流が計測されるようにするための追加の素子を検出入力ノードに接続しなければならなくなる。

このような粒子電流を計測するのに、計測可能な計測電位を当該粒子電流（すなわち、イオン電流や電子電流）から生成する計測装置が用いられる。この目的のために、当該計測装置は、通常、電流増幅器（典型的には、演算増幅器を用いた電流増幅器）を備えている。計測用電気抵抗（例えば、演算増幅器のフィードバック経路に配置された計測用電気抵抗）を用いることにより、計測可能な電位が増幅後の電流から生成される。

従来の増幅器であっても本発明に係る増幅器であっても、発生した粒子電流のダイナミックレンジ全体を同じ計測回路でカバーするには、１００ピコアンペア（ｐＡ）未満（例えば、１ピコアンペア（ｐＡ））の小電流を計測する精密動作と１ピコアンペア（ｐＡ）以上（例えば、１００ピコアンペア（ｐＡ））の大電流を計測する動作との間で切替えを行うことになる。例えばセクターフィールド質量分析計等の従来の電流増幅器では、切替えがリレーを用いて行われる。広範な電流レンジをカバーする抵抗ベースの電流増幅器の場合、小電流用には高インピーダンスの抵抗しか考えられない一方で、大電流については低インピーダンスの素子でしか大電流を伝搬できないことから、レンジ切替えは欠かすことができないものとなっている。小電流では、抵抗ノイズが原因となるため有用範囲が狭まる。

EP 0 615 669 B1（特許文献１）には、電流信号がダイオードを介して伝搬される増幅器が記載されている。

欧州特許第０６１５６６９号明細書

本発明の目的は、大電流の増幅への上記切替えについて改善された、小電流を増幅する増幅装置、およびこれに対応する方法を提供することである。

本発明に係る増幅装置は、独立請求項１に規定されている。

本発明に係る増幅装置は、小電流を増幅する第１の電流経路を備える。当該第１の電流経路は、少なくとも１つの第１の増幅器を有する入力増幅装置を含む。当該第１の増幅器は、保護ダイオードなどの少なくとも１つの保護素子を有する。前記入力増幅装置の出力部を反転入力部へ接続するフィードバック経路には、フィードバック素子が含まれる。大電流の計測用に、前記第１の電流経路と少なくとも部分的に異なる第２の電流経路が設けられて形成されている。前記第１の増幅器の前記保護素子のうちの少なくとも一つが、前記第２の電流経路に含まれる。

つまり、本発明に係る増幅装置では、最小電流を計測するための素子（つまり、電流入力部、前記フィードバック素子の形態の計測用抵抗、および少なくとも前記第１の増幅器を含む前記入力増幅装置）のほかに、大電流を計測するための追加の素子を入力部に設ける必要がない。従来使われている入力増幅器は、入力レンジの保護素子（例えば、保護ダイオード）を既に具備している。当該保護素子は、集積回路中で入力回路を保護するために必要なものである。本発明では、当該保護素子を用いてレンジ切替えを行う。これにより、回路の最小電流を計測する最精密レンジは、それが電流量を計測する唯一のレンジであるかの如く安定化する。当該精密レンジから大電流を測定するレンジへとレンジを切り替えると、入力電流が前記保護素子のうちの少なくとも一つに流れる。これにより、当該入力電流が遥かに大電流になったとしても、入力レンジが低インピーダンス化する。前記第１の増幅器の集積回路中には保護素子が存在していなければならないので、全ての増幅器モジュールを使用できるわけではない。電源電圧（供給電圧）に対する保護素子を具備した増幅器モジュールや入力線間に保護素子を具備した増幅器モジュールであれば、いずれも使用可能である。

前記入力増幅装置の増幅器の数ｎは、ｎ≧１であり得る。最も単純なｎ＝１の場合には、前記入力増幅装置が前記第１の増幅器のみを含む。ｎ≧２の場合には、前記入力増幅装置が、増幅器群を形成する２つ以上の増幅器で構成されることになり得る。

前記入力増幅装置は、反転入力部および出力部を含む。当該出力部は、フィードバック経路を介して前記入力増幅装置のその反転入力部へ接続されている。当該フィードバック経路には、フィードバック素子が含まれている。

前記増幅器は演算増幅器であり、かつ／あるいは、前記保護素子が保護ダイオードである。

以下では、図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。

例示的な第１の実施形態の、第１の動作状態を示す図である。図１の詳細図である。例示的な同実施形態の、第２の動作状態を示す図である。例示的な第２の実施形態における、図１又は図３の細部を示す図である。

図示の例示的な実施形態の増幅装置は、反転入力部３０、非反転入力部３１、出力部３４、正電源接続部３２および負電源接続部３３を有する第１の演算増幅器１を備えている。

前記演算増幅器は、反転入力部３０と非反転入力部３１との間及び２つの電源接続部３２，３３間にブリッジ整流回路の様式で配置されてこれらを相互接続する、保護素子１８，１９，２０，２１（本実施形態では、ダイオード）を有している。ダイオード１８，１９，２０，２１は、負電源接続部３３から正電源接続部３２へは導通して反対方向には導通しないように配置されている。

「ブリッジ整流回路の様式」という表現は、ブリッジ分岐路が演算増幅器１の２つの入力部３０，３１を含んでいるということを意味する。これは、理想的な演算増幅器の２つの入力部３０，３１間では電圧降下がゼロになるという思想に基づいたものである。ブリッジ分岐路の一端は反転入力部３０に接続されており、他端は非反転入力部３１に接続されている。つまり、これら２つの入力部間に生じ、理想的な演算増幅器ではゼロとなる差動電圧が、ブリッジ分岐路の一部をなす。

第１の演算増幅器１の出力部３４は、第２の演算増幅器３の非反転入力部３５に接続されており、第２の演算増幅器３の出力部は、フィードバック分岐路または第1のフィードバック経路４１を介して第１の演算増幅器１の反転入力部３０へ接続されている。フィードバック経路４１は、２つの抵抗２，４を含んでいる。フィードバック経路４１は、抵抗２，４間において、例えば保護素子１８の順方向電圧だけ調整可能な約０．５ボルトのダイオード順方向電圧が印加されている基準電圧の入力部２２へと第３のスイッチ１２で接続される。

第２の演算増幅器３の出力部１６は、さらに、制御素子５を介してグランド（ＧＮＤ）へ接続されている。制御素子５は、抵抗５ａ、コンデンサ５ｂおよびさらなる抵抗５ｃで構成されている。第２の演算増幅器３の反転入力部３６は、コンデンサ５ｂとさらなる抵抗５ｃとの間から電気的にフィードバック接続されている。

第１の演算増幅器１の出力部３４は、第１の抵抗６ａを介して当該第１の演算増幅器１の正電源接続部３２へ、第２の抵抗６ｂを介して負電源接続部３３へ接続されている。負電源接続部３３は、第１のスイッチ１０により、電圧源１４に印加された－５ボルトの電源電圧又はグランドへと択一的に接続可能である。

第１の演算増幅器１の正電源接続部３２は、第３の演算増幅器７の反転入力部３８に電気的に接続されており、第３の演算増幅器７の出力部１７は、抵抗８を介して第２のフィードバック経路４３でフィードバックを行う。抵抗８には、第３の演算増幅器７の出力部１７から第１の演算増幅器１の正電源接続部３２への方向には導通して反対方向には導通しないダイオード９が並列接続されている（uberbrucken）。

第１の増幅器１と、さらなる増幅器の第２の増幅器３とで、入力増幅装置５０を形成している。増幅器１，３が共同で、増幅器群を形成している。フィードバック経路４１は、入力増幅器群５０の出力部を入力増幅器群５０の反転入力部３０へ接続している。

第３の演算増幅器７の非反転入力部３７は、第２の電気スイッチ１１で電圧源１５（本実施形態では、５ボルト）又はグランドへと選択的に接続可能である。

本発明に係る増幅装置の図示の例示的な実施形態では、第１の演算増幅器１が入力増幅器として用いられる。第１の演算増幅器１の保護素子１８，１９，２０，２１が、電源電圧に対する入力保護ダイオードとして設けられている。前記増幅装置が最精密レンジの例えば１００ピコアンペア（ｐＡ）未満の小電流を計測するように動作する場合、入力電流信号が入力部１３から第１の演算増幅器１に到達する。第１の演算増幅器１は、図１に示すスイッチ位置の第１のスイッチ１０を介して電圧源１４から負電源電圧（本実施形態では、－５ボルト）を受け取る。演算増幅器１は、第３の演算増幅器７の非反転入力部３７にある図１に示すスイッチ位置の第２のスイッチ１１を介して電圧源１５（本実施形態では、＋５ボルトに達する）から正電源電圧を受け取る。

第３の演算増幅器７の出力部１７の出力電圧は、ダイオード９のダイオード順方向電圧だけ増加した値に調整される。結果として、第１の演算増幅器１に到達する電圧は、第３の演算増幅器７の非反転入力部３７の電圧と同程度になる。

増幅器７は、入力増幅装置５０の一部ではない。増幅器７は、入力増幅装置５０の入力部１３からの大電流を受け取る役割を果たす。この入力電流は、ダイオード１８を介して増幅器１から増幅器７の入力部３８へと直接流れる。他方、入力部１３からの小電流は、入力増幅装置５０で初期増幅を受ける。

小電流の計測では、第３の電気スイッチ１２が図１に示すこの第１の動作状態のように開放される。フィードバック抵抗４，２が共同で、前記フィードバック素子（本実施形態では、電気抵抗の形態）を形成している。

このとき、第１の演算増幅器１の反転入力部３０につながる入力部１３は実質的なゼロ点となる。これは、入力部１３に電圧が全く存在しないことを意味する。

第１の演算増幅器１の入力電流に比例した反転電圧が、第２の演算増幅器３の出力部１６に印加される。このときの前記入力増幅器の各保護ダイオード１８，１９，２０，２１は、逆方向に駆動されているため電流を全く伝搬していない。

第１の増幅演算器１と第２の演算増幅器３とからなる入力増幅装置５０は、制御回路を形成している。制御素子５は、回路が安定に維持されるように使用素子５ａ，５ｂ，５ｃの遮断周波数に応じて設定する（dimensioniert）必要があり、例えば電気抵抗５ａは１２０ｋΩ、コンデンサ５ｂは１ｎＦ、電気抵抗５ｃは１０ｋΩとされる。

図１は第１の電流経路で小電流を計測する第１の動作状態の前記増幅装置の全体を示し、図２は第１の演算増幅器１、第１の演算増幅器１内部に設けられた保護素子１８，１９，２０，２１、および保護素子１８，１９，２０，２１と第１の演算増幅器１の各接続部との電気的相互接続の様子を示す詳細図である。

図３に、第２の電流経路で大電流を計測する第２の動作状態の前記増幅装置を示す。この目的のために、前記増幅装置は、第１の電気スイッチ１０を接地電位またはグランド電位へと切り替えた拡張電流レンジで動作する。よって、前記入力増幅器の負電源接続部３３には約０ボルトの電圧が印加される。入力保護素子２０，２１は引き続き非導通となる。

第２のスイッチ１１も、接地電位へと切り替えられる。第３の演算増幅器７がフィードバック抵抗８で調整されて、第３の演算増幅器７の反転入力部３８と非反転入力部３７との間には差動電圧が全くないことから、正電源接続部３２における第１の演算増幅器１の正電源も０ボルトに近付く。このとき、入力電流が入力接続部１３に印加されると、当該入力電流は保護ダイオード１８を介して正電源接続部３２へと流れる。

この動作条件では、第３の電気スイッチ１２が導通されている。これにより、接続部２２に印加されている電圧（本実施形態では、０．５ボルト）がフィードバック抵抗２に印加されるが、保護ダイオード１８のダイオード順方向電圧に従い、当該フィードバック抵抗２に流れる電流は最小限に抑えられる。

このとき、入力部１３に大電流が流れる場合の前記第２の電流経路は、保護ダイオード１８を介して第３の演算増幅器７のフィードバック抵抗８へと導通する。入力電流に比例した反転電圧がフィードバック抵抗８に印加されて、第３の演算増幅器７の出力部１７に至る（abgegriffen）。この場合、ダイオード９は非導通となる。よって、大電流計測用の前記第２の電流経路は、第１の演算増幅器１の反転入力部３０から保護ダイオード１８，１９，２０，２１のうちの保護ダイオード１８を介して第１の演算増幅器１の正電源接続部３２へと至り、かつ、そこから第３の演算増幅器７のフィードバック抵抗８を介して当該第３の演算増幅器７の出力接続部１７へと進む。

本実施形態の回路配置構成では、大電流用の電流経路で動作する際に、入力電圧１３が保護素子１８の順方向電圧だけ増加することになる。この特性を避けるのであれば、スイッチ１０，１１の接地点のグランド電位を保護素子１８の順方向電圧だけ下げることが可能である。この場合、入力部に２２０ボルトが印加されたとしても、フィードバック素子２には電流が流れない。

図４のようにダイオード９を分割することにより、前記第２の電流経路がさらに改善される。前記第２の電流経路が駆動されると、負電圧が出力部１７に印加される。ダイオードの逆方向電流により、計測値に誤りが生じる。回路を図４のように補うことにより、ダイオード９ｂの負電圧が低下する。これにより、ダイオード９ａの両側に印加されるのは約０ボルトになるので、逆方向電流が大幅に減少する。

ここでは、正の入力電流用の回路について説明した。原則として、負の電流方向の回路例や両方の電流方向の回路例も可能である。

Claims

１００ｐＡ未満の小電流を計測する第１の電流経路と、
前記第１の電流経路に含まれる入力増幅装置（５０）であって、
少なくとも１つの第１の増幅器（１）、
出力部、
反転入力部（３０）、
前記出力部を前記反転入力部（３０）へ接続する第１のフィードバック経路（４１）、
および
前記第１のフィードバック経路（４１）に含まれるフィードバック素子（２）、
を含み、前記第１の増幅器（１）が少なくとも１つの保護素子（１８，１９，２０，２１）を有する、入力増幅装置（５０）と、
最大電流が前記第１の電流経路で受け取る電流の１０倍以上になる大電流を計測する第２の電流経路と、
を備える、電流を受け取る増幅装置において、
前記入力増幅装置（５０）の前記保護素子（１８，１９，２０，２１）のうちの少なくとも一つが、前記第２の電流経路の一部であることを特徴とする、増幅装置。
請求項１に記載の増幅装置において、前記第１の増幅器（１）の電源電圧が、前記保護素子（１８，１９，２０，２１）のうちの少なくとも一つに印加されることを特徴とする、増幅装置。
請求項１または２に記載の増幅装置において、前記保護素子（１８，１９，２０，２１）のうちの少なくとも一つが、前記第１の増幅器（１）の２つの入力部（３０，３１）間に配置されて当該２つの入力部（３０，３１）に接続されていることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第１のフィードバック経路（４１）の前記フィードバック素子（２）が、電気抵抗であることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第１のフィードバック経路（４１）の前記フィードバック素子（２）が、コンデンサであることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記入力増幅装置（５０）が、前記第１の増幅器（１）と共に制御ループを形成する少なくとも１つのさらなる増幅器（３）を含むことを特徴とする、増幅装置。
請求項１から６のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第１の増幅器（１）の２つの電源接続部（３２，３３）のうちの少なくとも一つが、電気抵抗（６ａ，６ｂ）を介して当該第１の増幅器（１）の出力部に接続されていることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から７のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第１のフィードバック経路（４１）が、前記第１の増幅器（１）と少なくとも１つのさらなる増幅器（３）とで構成された入力増幅装置（５０）の最後の増幅器の出力部を、前記入力増幅装置（５０）の前記反転入力部（３０）へ接続していることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から８のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第１の増幅器（１）の負電源接続部（３３）が第１のスイッチ（１０）で負電源電圧（１４）又はグランドへと選択的に接続可能であり、前記第１の増幅器（１）の正電源接続部（３２）が第３の増幅器（７）の反転接続部（３８）に導電接続されており、前記第３の増幅器（７）の非反転入力部（３７）が第２のスイッチ（１１）で正電源電圧（１５）又はグランドへと選択的に接続可能であることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から９のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第３の増幅器（７）が、電気抵抗（８）および当該抵抗（８）と並列に配置された電気ダイオード（９）を含む第２のフィードバック経路（４３）を有し、前記電気ダイオード（９）が、前記第３の増幅器の出力部（１７）から前記第１の増幅器（１）の正電源接続部（３２）への方向には導通し反対方向には導通しないことを特徴とする、増幅装置。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記第１のフィードバック経路（４１）が、第３のスイッチ（１２）により、前記フィードバック素子（２）に電流が流れないようにする電圧又は流れるようにする電圧へと当該スイッチの位置に応じて選択的に接続可能であることを特徴とする、増幅装置。
請求項１から１１のいずれか一項に記載の増幅装置において、前記スイッチ（１０，１１）の接地電位および基準電圧（２２）が、前記保護素子（１８）の順方向電圧だけ調整されていることを特徴とする、増幅装置。
請求項１０に記載の増幅装置において、前記第２のフィードバック経路（４３）が、前記スイッチ（１１）との関係で導通する抵抗（３９）を間に具備した２つのダイオード（９ａ，９ｂ）を含むことを特徴とする、増幅装置。
質量分析センサ又は全圧センサと、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の増幅装置と、
を備える、気体検出器。
請求項１から１３のいずれか一項に記載の増幅装置を用いて電流を計測する方法において、前記第１の増幅器（１）の負電源接続部（３３）をグランドに接続することにより、前記第１の電流経路から前記第２の電流経路への切替えを行うことを特徴とする、方法。
請求項１５に記載の方法において、反転入力部が前記第１の増幅器（１）の正電源接続部（３２）に接続されている第３の増幅器（７）の非反転入力部も、電流経路の前記切替えのためにグランドに接続されることを特徴とする、方法。